La chiesa di Santa Maria era chiamata in antico “di Castelvecchio”, prendendo il nome dalla vicinanza al sito posto sopra le pendici del colle alle sue spalle dove era ubicato il castello militare di Leuna. 
Il sito in verità era abitato da molto tempo prima, dati i rinvenimenti che si sono effettuati, fra l’altro, nelle vicinanze del Santuario. Il pozzo etrusco che oggi è posto nelle sue vicinanze ne è un esempio molto eloquente. 
Il territorio era un confine importante tra la Diocesi di Arezzo e quella di Fiesole. Inoltre, anche in base alla organizzazione dei plebati, la chiesa faceva parte di quello della Pieve di Galatrona mentre l’altra chiesa di Levane, a poca distanza e posta fuori delle mura del villaggio fortificato della “Corte di Leuna” (vedi scheda), che era intestata a San Martino, era suffraganea della Pieve di Presciano, quindi vi era anche un limite di plebato. La chiesa è già presente nei “Decimarii” alla fine del XIII° secolo con alcuni beni immobili che ne favorivano la vita economica. La chiesa fu molto venerata nel Cinquecento e nel Seicento grazie al culto mariano. La chiesa, dal Seicento, cominciò a dover fare i conti con un dissesto crescente del terreno che costrinse le autorità religiose ad intervenire in numerosi frangenti, come alla fine del secolo quando fu interessata da una notevole ristrutturazione.
Nel Settecento subì invece una drastica perdita di importanza che la fece segno di una presenza di alcuni eremiti che vivevano nella stanza sopra la sacrestia. A questo periodo risale il nome di “Madonna della Ginestra”. 
Alla fine di questo secolo si costruì la nuova chiesa al centro del nuovo abitato che si era sviluppato sul fondo valle. Un notevole intervento sulla chiesa fu effettuato nel 1902 quando, per renderla più stabile, furono aggiunte due cappelle laterali e la chiesa fu allungata di un terzo con la costruzione anche dell’abside posteriore. Nel 1957/58 un intervento risolutivo partì da una rifondazione con la realizzazione di un sottofondo drenante e con la rimozione delle aggiunte laterali novecentesche. L’intervento lasciò la chiesa nelle condizioni in cui oggi è visibile. L’affresco posto sull’altare è attribuito a Bernardino Daddi un pittore attivo nel XV° secolo.
